全新功率半導體技術助力數據中心節能

世界各地計算機數量眾多，耗能量也相當龐大，而支撐互聯網運作的數據中心就是一大耗能實例。在一個典型的數據中心設施中，其實只有不到一半的功耗是用在計算功能上的。所以數據中心運營商千方百計尋找機會來提高功率轉換效率和分配效率，例如通過高壓直流源的分配來減小轉換級的數目。

在美國，供電網把大約13 800Vac的交流電配送到各個社區，最后利用變壓器(不對能耗產生顯著影響)將電壓降為480Vac。而每個數據中心幾乎都備有一個UPS(不間斷電源)。可是，這個功率調節級的效率可能只有70%。在服務器機架上，208Vac的交流電壓被轉換為12或48Vdc的直流電壓，再降壓至處理器、硬盤驅動器和內存所需的總線電壓。

圖1 一個典型數據中心的功率轉換級

以一個每板帶兩個處理器的滿裝服務器機架為例，假設轉換效率為90%，若功耗為5kW，則會浪費500W的能量。高性能低壓MOSFET具有更低的導通阻抗和更低的開關損耗，能夠提高這些轉換級的效率。

上一代降壓轉換器采用肖特基二極管和60V額定電壓的功率MOSFET，效率為80%～85%；而現在使用的功率MOSFET產品，即使處理器輸入電壓下降，也能夠獲得90%以上的效率。

先進的低壓功率MOSFET降低損耗
在20世紀90年代中期以前，因為傳導損耗(I2R)仍是總功耗的主要成分，低壓功率MOSFET的開發焦點一直放在RDS(ON)上。隨著開關頻率的上升，研究人員開始逐漸關注柵極電容和柵極電荷。圖2所示為功率MOSFET品質因數(歸一化RSP和RSP?QGD)的變化趨勢。在過去14年間，這些參數減小了近10倍。

圖2 30V功率MOSFET的品質因數的變化趨勢

業界已開發出數種能夠減小導通阻抗和柵極電荷的新技術，其中一種技術就是在柵極溝槽底部采用一層加厚的氧化層(見圖3)。這種方案不僅有助于降低柵漏電容(CGD)，還能增大漂移區的阻抗。它也有利于降低導通阻抗和柵極電荷，因為現在可以一方面通過薄柵極氧化層來獲得更低的Vth(閾值電壓)以及更低的導通阻抗，同時又可以在溝槽底部采用加厚氧化層以獲得最低的CGD。

圖3 底部帶加厚氧化層的功率MOSFET器件橫截面圖